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CN101443911A - 成像器系统 - Google Patents

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CN101443911A CNA2007800101551A CN200780010155A CN101443911A CN 101443911 A CN101443911 A CN 101443911A CN A2007800101551 A CNA2007800101551 A CN A2007800101551A CN 200780010155 A CN200780010155 A CN 200780010155A CN 101443911 A CN101443911 A CN 101443911A
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T·P·塔法斯
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Ikonisys Inc
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Abstract

本发明公开了一种成像器系统，其包括：图像增强器(40)，其包括入射窗口和出射窗口，光电阴极(120)、倍增电极(130)、阳极(150)、荧光体屏幕(140)；图像增强器控制和电源单元(50)，可操作地构造为对所述图像增强器进行控制和供电；CMOS图像传感器(70)；处理器(90)，连接到所述CMOS图像传感器，所述处理器构造为产生增益控制和光电阴极选通命令信号；其中，所述增益控制和所述阴极选通命令信号被施加到所述图像增强器控制和电源单元以实现对所述图像增强器的过载控制。所述系统提供快速获取速度和高灵敏度。

Description

成像器系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.ξ119(e)要求于2006年3月22日提交的U.S.临时申请No.60/743,660的优先权。
技术领域
在实施例中公开了一种采用图像增强器(image intensifier)的成像器系统。
背景技术
传统的小样本分析可能必需在显微镜下进行费力和耗时的分析。可以利用自动化显微镜检查技术执行更加有效的样本分析。
例如，普通的测试协议是FISH(萤光原位杂交染色体)。通常，由熟练的显微镜工作者对组织样本进行人工检查完成FISH分析。除了正确地对点及其颜色进行识别以外，还必须对其它的尺寸和形状特征进行归类以正确地识别环境。由于由这种现象强加的时间限制，从而更加难于执行该分析。由此，显微镜工作者必须用尽一切地进行训练以执行检查。即使在最佳环境下，该过程也已经证明是乏味的、冗长的并且受制于人为误差。
应用自动化显微镜检查技术可以克服人工方案的许多缺点。该自动化显微镜检查技术能够可靠地识别组织样本中的荧光点，准确地确定它们的颜色，基于形状和尺寸对它们进行归类，并且执行用于在没有由人工操作员全部及时提出所引入的不可避免的主观因素的情况下确定目标环境的存在或不存在所需的汇总分析。
一些广泛使用的唐氏综合征采用FISH分析。例如，AneuVysion测试利用带颜色的DNA探针，其中，这些DNA探针附接到羊水细胞中的特定染色体。与染色体分类不同，这种测试不需要细胞在实验室孵化器中进行生长。因此，能够在加入DNA探针以后的几个小时内对细胞进行分析。在将DNA探针与细胞进行混合以后，它们附接到特定染色体。不同的探针携带不同颜色的荧光物质以进行区分。例如，当探针找到染色体21时，它附接在非常特定的地点，并且例如，能够通过显微镜看见胎细胞内的橙色信号。然后，实验室技术人员必须人工地对每个细胞内的带颜色的地点的数目进行计数并且确定是否如期待存在两个染色体21或者是否存在三个染色体21以指示唐氏综合症。同时对染色体13、18、X和Y执行相同程序，其中，这些染色体中的每个显现为不同颜色的地点。因此，如果观察到染色体13或18的三个地点，则胎儿具有三体性13或三体性18。对于X和Y染色体，由探针检测特纳(Turner)综合症或克兰费尔特(Klinefelter)综合症。
在FISH分析的情况下，观众必须能够区分和量化来自萤光基团的各种散发物。可以说，当利用自动化显微镜时这样操作的难度会显著增大。自动化显微镜必须能够量化来自与组织样本相关联的链接的染料标记的各种波长荧光的暗淡的散发物。当正在对非常罕见的细胞进行分析时，例如，在没有限制的情况下，当正在对胎细胞进行分析时，需要显微镜能够检测来自大量细胞等等的信号。
当要对罕见细胞或要素进行检测时，需要检查许多载玻片以进行关于从其获得分析样本的主题、材料等等的诊断或确定。例如，关于诸如母血样本中的胎细胞的罕见细胞，为了进行恰当的确定，需要进行超过200个载玻片的检查。这些载玻片的每个上的样本会依次覆盖与大量的显微镜视场对应的区域。因此，需要对许多显微镜视场进行检查以执行一次分析。当然，期望提供一种尽可能低的一次图像获取时间，例如，在一些情况下，该一次图像获取时间近似是5毫秒或更小。
在FISH分析中，由于可能会产生的低程度的发射荧光、低的半衰期以及相对短的发射周期，从而更加难于进行检查。可能会面对的另一个难题是：这些标记可能会发出用作标识参数的不同波长的荧光。
适于检测样本中的罕见成分诸如组织样本中的罕见细胞的自动化显微镜的实际实施方式可能会需要满足几个不同的需求的图像获取技术，其中，这些不同的需求例如包括高灵敏度、快速获取速度、高帧频以及较高的波长分辨率。
发明内容
自动化显微镜可以利用位于光路的输出的电子传感器获取图像。当前实际用作电子图像传感器的技术包括：电荷耦合装置(CCD)和互补性金属氧化物半导体(CMOS)。CCD技术的特征在于：虽然高灵敏度但是可能会发现速度不足以满足FISH自动化显微镜的需要。另一方面，CMOS技术的特征在于：尽管速度足够但是可能不会发现灵敏度足以满足这个应用。
于此，在一个实施例中提议：设计用于检测样本中的项目的自动化显微镜检查技术的获取速度和灵敏度需求均通过CMOS图像传感器装置利用图像增强器技术。在这种实施例中，图像增强器可以用于将发射的光放大到足以适于高速获取图像的CMOS装置的程度。在一个可能的选择中，利用了第一代图像增强器(first generationimage intensifier)，该第一代图像增强器包括一种真空结构，其中，这种真空结构包括输入光电阴极(photo-cathode)，其中，该输入光电阴极将由光子组成的输入图像转换成由电子组成的等效电子图像。这些电子朝向阳极在该真空结构中进行加速，在该阳极中这些电子与荧光输出屏幕进行碰撞并且转换回光子。还可以采用后代图像增强器结构，其中，该后代图像增强器结构包括“蜂窝状”电子放大器结构。通过这种结构，电子在它们到输出屏幕的途中与该结构壁进行碰撞由此释放附加电子。现在放大后的电子“图像”继续行进到输出屏幕并且发生碰撞，从而释放更多的光子，以便比通过第一代技术可能得到的图像更亮的图像。
在这种实施例中，根据选择的荧光体化合物的特征，该图像增强器输出屏幕具有响应时间和输出发射波长。通过正确地选择荧光体化合物，该系统可以被设计为具有足够快的响应时间从而针对应用实现足够高速的图像获取。根据传统的图像增强器技术，如上所述，输出发射波长与原始图像的波长无关。它仅仅由荧光体的特征进行确定。对图像增强器提供波长鉴别的一种方法在于：在图像输入到光电阴极之前对它进行光学带通滤波。通过经由一组正交的光学带通滤波器连续获取多个图像并且以一定的计算方式组合这多个图像，可以形成显微镜视图的真彩色电子表示。
图像增强器/CMOS成像系统的实施方式还必须提供足够的动态范围。图像增强器和CMOS部件具有必须解决的独立动态范围限制。对于图像增强器的情况，过载改进是重要的考虑。施加到光电阴极的过量光程度能够导致性能恶化，或者在一些极端情况下，会对增强器的元件产生物理损坏。实际设计必须包括自动化供应以调整到高程度从而防止损坏。必须解决整个图像以及该图像内“热点”的强度。
在实施例中，公开了一种成像器系统，所述成像器系统包括：图像增强器，包括入射窗口和出射窗口，并且包括光电阴极、倍增电极(dynode)、阳极、荧光体屏幕；图像增强器控制和电源单元，可操作地构造为对所述图像增强器进行控制和供电，所述图像增强器控制和电源单元可操作地连接到所述图像增强器；CMOS图像传感器，具有输入窗口；光学耦合器，具有输入窗口和输出窗口，所述光学耦合器的所述输入窗口直接连接到所述图像增强器的所述出射窗口，所述光学耦合器的所述输出窗口直接连接到所述CMOS图像传感器的输入窗口；处理器，连接到所述CMOS图像传感器，所述处理器可操作地构造为对来自所述CMOS传感器的数据进行询问和处理，所述处理器还连接到所述图像增强器控制和电源单元并且可操作地构造为产生增益控制和光电阴极选通命令信号；其中，所述增益控制和所述阴极选通命令信号被施加到所述图像增强器控制和电源单元以实现所述图像增强器的过载控制。
一个实施例还包括采用P-43荧光体的图像增强器的荧光体屏幕。在另一个实施例中，该成像器包括位于该图像增强器之前的光学带通滤波部分。在一种构造中，该带通滤波部分包括多个输入光学带通滤波器，所述多个光学带通滤波器安装在电动旋转台上，其中，所述电动旋转台可操作地构造为连续地将这些光学带通滤波器插入到光路中，所述电动旋转台包括位置控制装置。此外，滤波器的选择可以包括全通和不透明滤波器。
附图说明
图1是生物医学的成像器系统的简化示意图。
图2是图像增强器及其相关联的电子支持单元的简化示意图。
图3是包括用于提供波长鉴别的附加带通滤波的生物医学的成像器系统的简化示意图。
图4是自动化色轮的简化示意图。
具体实施方式
在图1中按照简化示意图呈现了适于自动化显微镜的生物医学成像器的实施例。由显微镜的光线系统形成的光学图像100被施加到图像增强器40的输入窗口42，在图像增强器中，该光学图像被放大。图像增强器40从图像增强器控制和电源电子单元50获得所有需要的电压和控制信号。增强后的光学图像从荧光体屏幕出射窗口47输出。无源光学耦合器60将来自出射窗口47的图像传递到CMOS图像传感器70的输入窗口72。CMOS图像传感器70包括必需的接口电子器件并且从CMOS成像器控制和电源电子单元80获得所有所需的电压和控制信号。CMOS图像传感器70包括像元或像素的阵列，这些像元或像素中的每个将施加的光子转换成相称的电荷。这些像素电荷中的每个由电子扫描电路进行读取并且传递到诸如计算机90的处理装置。计算机90计算处理数据并且部分提取期望的分析结果。
对照图2，呈现了图像增强器40及其相关联的控制和电源电子单元50的更加详细的功能性示意图。图像增强器40包括真空罩110，该真空罩110包含电子结构。光学输入图像被施加到光电阴极120。对于与光电阴极120进行碰撞的每个光子，在通过包括在控制和电源电子单元50中的阳极电源180施加到阳极150的DC电势的影响下，电子在阳极150的方向上进行发射和传播。从光电阴极120发射出的电子撞击具有用作倍增电极的“蜂巢”状结构的微通道板。通过包括在控制和电源电子单元50中的倍增电极电源将恰当电势施加到倍增电极130。电子单元50可以包括软件、硬件、或它们的组合。这些撞击电子中的每个导致也朝向阳极150进行传播的附加电子的二次发射。这些电子由阳极电势进行加速并且与荧光体屏幕140进行碰撞。每个碰撞导致光子的发射。如先前所述，利用的荧光体的时间响应是确定该系统的全部获取速度的因子。在需要每秒获取大约超过200个图像的应用中，P43荧光体是可接受材料的例子。新产生的光子从图像增强器40射出。
光子直接施加到光学耦合器60的输入窗口。光学耦合器60将来自图像增强器出射窗口47的光子传送到CMOS图像传感器70的入口窗口72。光学耦合器60可以由形成锥台长形体的光纤束组成。这种构造允许对从图像增强器40射出的图像尺寸进行放大(或缩小)以与CMOS图像传感器70的入口窗口72进行匹配。
图像传感器70包括平面像素阵列。作为例子，适于这种应用的传感器可以具有四百万个独立像素。在操作中，每个像素累积与落在该像素上的光的强度成正比的电荷。当获取图像时，对每个像素进行测量并且通过模拟数字转换器将该值转换成数字字。这些数字化值中的每个存储在计算机90的存储器中。
如所述，图像增强器40可由过量的图像光强度进行过激驱动。在该设计中，可以考虑两个独立的图像光强度特征。第一图像光强度特征是整个图像的集成光强度，第二图像光强度特征是在整个图像内的局部区域处出现的“热点”。总图像强度的测量是由图像增强器提取的阳极电流。可以通过位于阳极电源180的阳极电流监视器200容易地对这个电流进行监视。作为例子，可以通过测量位于阳极电源引线中的串联电阻器的压降来确定阳极电流。测量出的电流值220可以发送到计算机90。计算机90根据存储的算法例如可以构造为确定电流是否过量。如果电流过量，则阴极选通电路190通过计算机90接收命令210从而周期性地高速关闭和打开光电阴极。由此减小了光电阴极的占空比，并且成比例地减小了电子的总流量。过载系统的第二部分管理“热点”。通过计算机90以一定算法检查CMOS传感器的测量出的像素电荷值。超过预定值的任何像素值或像素组值指示存在“热点”。通过计算机90检测局部化的“热点”导致对增益控制单元240产生计算机命令230从而经由独立控制电压减小了图像增强器增益。
一个实施例提供了图像波长的可选择的鉴别。如图3所示，光学带通滤波器20可以在光路100中置于图像增强器40的输入窗口42之前。由此，进入图像增强器40的图像仅仅包括具有落入在该滤波器带通内的波长的图像成分。一旦获取了第一个图像，则可以将第二个光学滤波器置于光路100中替代该第一个带通滤波器。然后可以获取第二个图像。然后可以替换第三个滤波器并且可以获取第三个图像。可以以一定计算方式在计算机90中组合由此获取的这三个图像。如果选择的这三个带通滤波器具有与主要波长对应的带通，则组合后的图像可以提供全频谱鉴别。在实施例中，如图4示意性所示，可以将滤波器300置于自动化色轮构造310中。对于这种构造，连续布置多个滤波器，从而使得当通过诸如电机的旋转致动器对该色轮进行旋转时，每个滤波器进入光路100和从该光路中射出。可以在计算机90的控制下通过带通滤波器控制和电源电子单元30确定和控制滤波轮(filter wheel)的机械位置。在另一个实施例中，可以对全通滤波器和不透明滤波器分配附加滤波器位置。通过全通滤波器获得的图像是获取所有波长的亮度图像。对于这个全通构造，不存在滤波衰减并且该系统展现了它的最高灵敏度。该不透明滤波器位置阻挡了所有光到达该系统，由此提供了用于测量CMOS像素的“暗”电流的环境。
可选择的是，计算机90可以产生要施加到带通滤波器控制和电源电子单元30、图像增强器控制和电源电子单元50和CMOS图像控制和电源电子单元80的控制信号。
计算机90通过本领域技术人员公知的手段对获取的图像进行任何所需的分析并且输出结果。
尽管对照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会容易地明白，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围或精神的情况下，可以进行各种改变和/或变型。这里引证的所有文献纳入于此以资参考，适于教述附加或另外细节、特征和/或技术背景。

Claims (7)

1.一种成像器系统，包括：
图像增强器，包括入射窗口和出射窗口，并且包括光电阴极、倍增电极、阳极、荧光体屏幕；
图像增强器控制和电源单元，可操作地构造为对所述图像增强器进行控制和供电，所述图像增强器控制和电源单元可操作地连接到所述图像增强器；
CMOS图像传感器，具有输入窗口；
光学耦合器，具有输入窗口和输出窗口，所述光学耦合器的所述输入窗口直接连接到所述图像增强器的所述出射窗口，所述光学耦合器的所述输出窗口直接连接到所述CMOS图像传感器的输入窗口；
处理器，连接到所述CMOS图像传感器，所述处理器可操作地构造为对来自所述CMOS传感器的数据进行询问和处理，所述处理器还连接到所述图像增强器控制和电源单元并且可操作地构造为产生增益控制和光电阴极选通命令信号；
其中，所述增益控制和所述阴极选通命令信号被施加到所述图像增强器控制和电源单元以实现对所述图像增强器的过载控制。
2.如权利要求1所述的成像器系统，其中，所述图像增强器的所述荧光体屏幕包括P-43荧光体。
3.如权利要求1所述的成像器系统，其中，所述倍增电极是微通道板。
4.如权利要求1所述的成像器系统，所述成像器系统还包括输入光学带通滤波器。
5.如权利要求1所述的成像器系统，所述成像器系统还包括：
多个输入光学带通滤波器；
所述多个输入光学带通滤波器安装在电动旋转台上，所述电动旋转台可操作地构造为连续地将所述光学带通滤波器插入到光路中；
所述电动旋转台包括位置控制装置。
6.如权利要求5所述的成像器系统，其中，所述输入光学滤波器之一是全通的。
7.如权利要求5所述的成像器系统，其中，所述输入光学滤波器之一是不透明的。
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